生物网络中多条通路的随机鲁棒性与相对稳定性

生物网络中总是存在多条动态通路，但其对抗内部涨落的鲁棒性以及相对稳定性尚未被充分认识和仔细分析。在此，我们试图通过一个示例来解决这些问题，即蛋白p53动力学中的Siah-1/beta-catenin/p14/19 ARF环路。其确定性布尔网络模型预测，当细胞受到有害扰动后蛋白p53被激活时，应存在两个吸引盆量级相当的平行通路。一旦将微小但不可忽略的内在涨落纳入模型，我们展示出现了相变现象：在一个参数区域中，实验文献报道的正常通路的概率权重与另一条功能未知、看似异常的通路相当；而在另一些参数区域中，异常通路的概率权重甚至可占主导并成为全局吸引子。为了定量解释这种相变现象，我们应用并进一步推广了指数扰动马尔可夫链理论，其中平行通路间各转移轨迹上的非平衡“活化能垒”以及“最优转移路径”的数目起着核心作用。我们的理论还能确定平行通路间的转移时间以及最优转移路径数目如何依赖于各相互作用的强度，并有助于识别生物网络中那些可能更为关键的相互作用。